瞭望｜天问二号叩响中国小行星探测之门

天问二号(èrhào)主要任务目标是对小行星2016HO3进行(jìnxíng)探测、取样并返回地球，此后再对主带彗星311P开展科学探测。这是我国首次实施小行星采样返回任务，迈出了深空探测的(de)新一步 天问二号任务技术难度大，工程风险高，设计(shèjì)任务周期10年左右，后续环节的不确定因素(yīnsù)对于这场漫长征程来说是一场持续考验 文 |《瞭望》新闻周刊记者 贾雯静(jiǎwénjìng) 5月29日1时31分，辉光照亮(zhàoliàng)夜空。由中国航天科技集团所属(suǒshǔ)中国运载火箭技术研究院抓总研制的长征三号乙Y110运载火箭（下称长三乙(zhǎngsānyǐ)火箭），在西昌卫星发射中心烈焰中起飞。 火箭(huǒjiàn)飞行(fēixíng)约18分钟后，将中国航天科技集团所属中国空间技术研究院抓总研制的天问(tiānwèn)二号探测器送入地球至小行星2016HO3转移轨道。此后，探测器太阳翼正常展开，发射任务取得圆满成功，标志着我国天问二号探测任务顺利(shùnlì)启程，为(wèi)后续深空探索跑好关键“第一棒”。 自2020年中国航天日启动“天问”系列以来(yǐlái)，这一以屈原诗句命名的行星探测工程，赓续中华文明对宇宙奥秘的追问。目前，天问一号探测器已(yǐ)获取珍贵火星原始(yuánshǐ)科学数据。 如今，天问二号再次踏上星际探测征程，主要任务目标是(shì)对小行星(xiǎoxíngxīng)2016HO3进行探测、取样(qǔyàng)并返回地球，此后再对主带彗星311P开展科学探测。 国家航天局局长单忠德表示，国家航天局牵头实施(shíshī)天问二号(èrhào)任务，推动(tuīdòng)星际探测征程接续(jiēxù)前进，迈出了深空探测的新一步。任务实施周期长，风险难度大，工程全线攻坚克难，协同攻关，确保了发射任务圆满成功。 我国(wǒguó)在西昌卫星发射中心用长征三号(chángzhēngsānhào)乙运载火箭，成功将行星探测工程天问(tiānwèn)二号探测器发射升空（2025 年 5 月 29 日摄） 才扬摄 / 本刊 发射阶段面临三重(sānchóng)挑战 天问二号任务的首道(shǒudào)难关在于发射环节。 为顺利完成发射(fāshè)，本次行星探测任务选用的运载工具为长征三号(sānhào)甲系列运载火箭(huǒjiàn)三兄弟中“力气最大”的长三乙火箭，该火箭于(yú)1993年获批立项，自1996年首飞成功至今，承担了多个国家重大工程任务，曾执行过嫦娥三号、嫦娥四号(sìhào)等探月工程任务，此前已完成108次发射，是我国宇航发射次数最多的单一型号火箭。 中国航天科技集团魏远明表示，虽然已经(yǐjīng)执行了百余次发射任务，但此次任务是长三乙火箭首次执行地球逃逸轨道发射，面临(miànlín)新情况新挑战(tiǎozhàn)。 挑战(tiǎozhàn)一：速度要求更快。 魏远明介绍(jièshào)，以往发射地球轨道(guǐdào)范围内的载荷时，火箭分离速度达第一宇宙速度每秒7.9千米即可，此速度是物体在地球表面附近环绕(huánrào)地球做匀速圆周运动所需的最小速度。 此次任务发射目标并非绕地球旋转的卫星，航天器必须完全(wánquán)脱离地球引力控制进入逃逸轨道(guǐdào)，火箭分离时速度须达到第二宇宙速度，最低要求为每秒11.2千米(qiānmǐ)。 “这对火箭的运载能力、履约能力等(děng)都提出了更高要求。”魏远(wèiyuǎn)明说。 挑战(tiǎozhàn)二：精度要求更高。 “小行星体积小、质量小、引力弱(ruò)，捕获难度大，对火箭入轨精度要求高。”中国运载火箭(yùnzàihuǒjiàn)技术研究院张亦朴说，此次火箭入轨速度达到每秒11.2千米的同时(tóngshí)，速度偏差不能超过1米，才能将天问二号精准送入轨道，否则可能会造成百万公里(gōnglǐ)的级差。 难点三：发射窗口更窄(gèngzhǎi)。 小行星2016HO3运行(yùnxíng)轨道(guǐdào)较为特殊，一方面既像其他小行星一样(yīyàng)环绕太阳运行，且公转周期与地球相近；另一方面，其轨道又围绕地球运行。 这种特殊运行轨迹使它与地球(dìqiú)的相对位置和运动状态较为复杂，只有(zhǐyǒu)在特定时间段(shíjiānduàn)内，地球、探测器和小行星才能处于相对合适的位置关系，从而确保探测器能够以更快的速度抵近小行星并实现有效探测。 经过专家(zhuānjiā)团队测算，此次(cǐcì)发射任务的窗口期仅为5月(yuè)29日到31日连续3天，每天只有4分钟。加之目标小行星与地球的相对位置(wèizhì)处于变化之中，只有零窗口发射最节省燃料，给型号团队带来了更大的挑战。 多方协同、技术迭代　确保(quèbǎo)发射“万无一失” 早(zǎo)在2018年，天问二号的发射(fāshè)任务就“花落(huāluò)”长三乙火箭。为确保其可靠、精准、准时跑好天问二号任务“第一棒”，工程全线攻坚克难，协同攻关，确保火箭发射“万无一失”。 提高运载(yùnzài)能力方面，针对(duì)长征三号甲系列(xìliè)运载火箭，型号团队于2020年实施运载能力与可靠性“双提升”工程，完成了多条技术状态变化的验证工作，确认了箭体结构、增压输送、总装总测三大系统数十个重点关注项目，并对总装全过程状态从严要求，针对性梳理了装配风险点并予以排除，确保产品顺利完成总装测试。该工程后，长三乙火箭地球同步转移(zhuǎnyí)轨道运载能力提升至(zhì)5.55吨，与天问二号探测器质量(zhìliàng)要求更(gèng)贴合。 确保精确入轨(rùguǐ)方面，研制团队在采用迭代制导技术的基础上，还运用(yùnyòng)了(le)末速修正技术，在分离前实时调整火箭的速度、姿态等，确保满足入轨精度要求。 不仅如此，研制人员经过(jīngguò)多轮(duōlún)协调，将连续3个发射日每天一套发射轨道程序简化为3天共用一套程序，大大精简了发射流程(liúchéng)，提高火箭可靠性和任务适应性。 火箭测控系统方面，西昌卫星发射中心马忠权介绍，为满足零窗口发射需求，团队对测控设备精度不断进行调校，通过测控火箭外侧的飞行(fēixíng)弹道、飞行姿态以及火箭内侧(nèicè)的气压、燃料使用情况、温度等指标(zhǐbiāo)，了解火箭整体(zhěngtǐ)飞行状态。 本次(běncì)测控系统还进行了全自动跟踪改造，借助(jièzhù)AI算法让测控系统自动进行跟踪捕获，减轻操作手压力，提高跟踪性能和应急情况处理(chǔlǐ)能力。 火箭整体设计方面，马忠权说：“多年来(lái)火箭外形延续经典，实际上，其内部的电气、动力、火工等系统和装置已历经(lìjīng)三年(sānnián)的迭代升级。”与此同时，型号团队对箭上关键产品优(yōu)中选优、加严验收、增加测试项目，严格控制火箭技术状态变化。 此外，“长三乙火箭还采用了通用化、系列化、组合化的(de)设计思路(sīlù)，为全流程研制生产效率提速。”中国运载火箭技术研究院覃艺说。 例如施行“去任务化”的设计研制模式，即火箭助推器、芯一级、芯二级、芯三级(sānjí)等产品(chǎnpǐn)都实现通用化和组批投产，提高生产(shēngchǎn)效率，缩短履约周期。 再如施行批量生产(shēngchǎn)管理模式，通过系统综合试验、火箭总装(zǒngzhuāng)和出厂测试并行开展，实施滚动出厂发射，实现流水线式柔性(róuxìng)作业的运载火箭批生产，达到年生产发射15发火箭的能力水平，更好应对任务(rènwù)需求。 后续(hòuxù)探测、采样阶段仍存不确定性 发射任务(rènwù)圆满成功仅仅是“第一步”。“天问二号任务技术难度大，工程风险高，设计任务周期10年左右，后续环节(huánjié)的不确定因素对于(duìyú)这场漫长征程来说是一场持续考验。”多位受访专家提到。 天问二号任务共包含发射段(duàn)、小行星转移段、小行星接近段、小行星交会段、小行星近距探测段、小行星采样段、返回等待段、返回转移段、再入(rù)回收段、主带(zhǔdài)彗星转移段、主带彗星接近段、主带彗星交会段、主带彗星近距探测段等13个飞行(fēixíng)阶段。 在探测阶段，任务难点主要体现在时间周期长，能源(néngyuán)需求量大。中国航天科技集团曾福(céngfú)明说，小行星2016HO3距离(jùlí)地球(dìqiú)1800万至4600万公里，主带彗星311P距离地球1.5亿至5亿公里，距离地球远，通信存在较长延迟。这对能源管理、智能控制以及产品的寿命(shòumìng)、可靠性等方面都提出了较高要求。 为(wèi)应对此挑战，曾福明说：“本次任务创新性采用大面积圆形柔性太阳翼设计，实现能源供给与轻量化(qīngliànghuà)的效果。” 同时，探测器共(gòng)配置11台科学设备，将助力探测器在飞行过程中对小行星和主带彗星进行光谱测量、光学成像、空间环境(huánjìng)探测等，获取科学数据，为(wèi)后续采样环节奠定基础。 在采样阶段，难点一方面体现在目标天体的未知特性。基于(jīyú)当前有限观测(guāncè)数据，人类对小行星2016HO3的形态特征，如形状、具体尺寸，表面物理(wùlǐ)状态，如物质组成等关键信息认知不足。这种不确定性(bùquèdìngxìng)对探测器自主化程度、多类型采样能力要求更高，以应对潜在的样本获取(huòqǔ)风险。 另一方面，还需要突破弱引力条件下的附着与采样难题。据了解，小行星2016HO3质量(zhìliàng)较小，几乎处于(chǔyú)零重力环境，坚硬表面易造成探测器反弹(fǎndàn)，松散表面又难以阻止探测器下陷，加之其处于高速自转状态，探测器的控制必须足够精确(jīngquè)。因此，于有限时间(shíjiān)内完成采样任务并将(jiāng)样品装进容器难度较大。“针对此，我们(wǒmen)在前期已经进行了多次地面验证，但仍然可能面临未知情况。”中国航天科技集团陈春亮说。 在考验中积累宝贵经验(jīngyàn)和科学财富 曾福明表示，天问二号任务面临多重考验(kǎoyàn)，是我国深空探索不断深入的重要实践(shíjiàn)，从中可以积累宝贵经验，不断对关键技术进行验证(yànzhèng)和创新。 这也是此次任务的工程目标(mùbiāo)之一——突破(tūpò)弱引力天体(tiāntǐ)表面取样、高精度相对自主导航与控制、小推力转移轨道设计等(děng)一系列关键技术。锚定这一工程目标，天问二号任务在技术创新和科学产出上具有显著特点。 一方面创新小天体采样方式，除触碰采样方式外，天问二号任务还将(jiāng)根据探测具体情况(jùtǐqíngkuàng)实施悬停采样以及附着采样。 另一方面推动智能化航天器发展，针对目标天体特性未知等难题，探测器将采用“边飞边探边决策”的策略，获取目标天体特性信息后，在(zài)地面(dìmiàn)策略指导下基本(jīběn)自主开展目标天体的精准捕获、逐步接近、科学探测和样品(yàngpǐn)采集。 锁定工程目标(mùbiāo)的(de)同时，科学目标亦是此次任务的核心关键。天问二号任务工程副总师、中国科学院国家(guójiā)天文台研究员刘建军介绍，小行星是太阳系中一种非常(fēicháng)独特的天体，形成(xíngchéng)于太阳系早期约45亿年前，没有经过类似于地球一样的演化过程，基本保持原有状态，对地球和太阳系的研究均具有重要意义。 而目标小(xiǎo)行星2016HO3是在2016年发现(fāxiàn)的(de)地球第5颗（共7颗）准卫星，非常稀缺，在上百万个小天体中万里挑一，科学家对其起源也众说纷纭，加上对其形状、构成等情况(qíngkuàng)了解甚少，具有很大的研究价值。 “主带(zhǔdài)彗星311P同样特殊，又称(yòuchēng)活跃小行星，其轨道位于主带小行星上，同时具备彗星喷发的(de)特征(tèzhēng)，也承载着重要的科学探索意义。”天问二号任务地面应用系统总师、中国科学院国家天文台研究员苏彦说。 因此，天问二号探测任务的科学目标聚焦于测定小行星和主带彗星的多项物理(wùlǐ)参数(cānshù)(cānshù)。一是测定小行星和主带彗星的轨道(guǐdào)参数、自转参数、形状大小、热辐射特性(tèxìng)等物理参数，开展轨道动力学研究；二是开展小行星和主带彗星的形貌、物质组分、内部结构以及可能的喷发物等研究；三是开展样品(yàngpǐn)的实验室分析研究，测定样品物理性质、化学与矿物成分，开展小行星和太阳系早期的形成与演化研究。 深空探测道阻且长，航天事业发展任重道远，单忠德表示，期待天问二号按计划完成各项(gèxiàng)探测任务，取得更多原创科学成果，揭开更多宇宙奥秘(àomì)，增进人类认知(rènzhī)。■